李森 于龍飛

上海振華重工電氣有限公司 上海 201208

1 機(jī)器人安全功能的定義

機(jī)器人安全功能一般是由輸入信號(hào)觸發(fā)并通過(guò)控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件處理的，能使機(jī)器人及其系統(tǒng)達(dá)到安全狀態(tài)的功能。安全功能一般依賴(lài)于系統(tǒng)或設(shè)備對(duì)輸入的正確操作，當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)足以下條件時(shí)就可以認(rèn)為功能是安全的，即當(dāng)任一隨機(jī)故障、系統(tǒng)故障或組件故障都不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的安全故障，從而引起人員的傷害或死亡、環(huán)境的破壞、設(shè)備財(cái)產(chǎn)的損失，也就是說(shuō)系統(tǒng)的安全功能無(wú)論在正常情況或者有故障存在的情況下都可以保證正確實(shí)施。另外，功能安全是設(shè)備安全的一部分，其主要是從電氣、電子、可編程電子相關(guān)的控制系統(tǒng)考慮，著重避免由于受控設(shè)備及其相關(guān)系統(tǒng)在故障或者失效的情況下導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，而對(duì)于非電控的風(fēng)險(xiǎn)，如鋒利毛邊、高溫表面、噪聲、輻射等導(dǎo)致的危險(xiǎn)，本課題并沒(méi)有做涉及，需參見(jiàn)其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或文檔中的要求。另外，依靠被動(dòng)的方式獲得的安全不是功能安全，例如安全圍欄對(duì)機(jī)器人的隔離本質(zhì)上采取的就是被動(dòng)方式，雖然也可以對(duì)危險(xiǎn)起到保護(hù)作用，但不是功能安全[1]。

2 工業(yè)機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）各種限制的確定。進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，首先應(yīng)確定工業(yè)機(jī)器人的各種限制，包括使用限制、空間限制、時(shí)間限制、其他限制。使用限制包括預(yù)定使用和合理預(yù)見(jiàn)的誤用，包括工業(yè)機(jī)器人在不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行、不同水平操作者對(duì)設(shè)備的操作等。空間限制主要考慮工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行范圍，人機(jī)交互的方式及空間要求。時(shí)間限制主要考慮在工業(yè)機(jī)器人使用中，某些組件或零部件的壽命限制。其他限制是除上述限制之外可能對(duì)安全產(chǎn)生較大影響的因素，如工業(yè)機(jī)器人使用環(huán)境等[2]。

（2）危險(xiǎn)識(shí)別。在確定工業(yè)機(jī)器人的各種限制之后，需要對(duì)其生命周期所有階段可合理預(yù)見(jiàn)的危險(xiǎn)事件進(jìn)行識(shí)別。工業(yè)機(jī)器人全生命周期主要包含運(yùn)輸階段、示教階段、操作階段、維護(hù)保養(yǎng)階段、故障排除階段、報(bào)廢階段。為了預(yù)防或減少工業(yè)機(jī)器人造成的傷害，必須先識(shí)別機(jī)器人崗位上發(fā)生的常見(jiàn)危險(xiǎn)，使在進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，便于危險(xiǎn)的分析。危險(xiǎn)識(shí)別時(shí)應(yīng)考慮如下因素：①工業(yè)機(jī)器人生命周期內(nèi)人與機(jī)器的相互作用。需要考慮機(jī)器人生命周期內(nèi)所有階段的所有相關(guān)任務(wù)，主要任務(wù)類(lèi)型包括但不限于設(shè)定、測(cè)試、示教、啟動(dòng)、所有運(yùn)行模式、急停。②工業(yè)機(jī)器人可能的狀態(tài)，包括正常運(yùn)行和非正常運(yùn)行狀態(tài)。正常運(yùn)行狀態(tài)是機(jī)器執(zhí)行預(yù)定功能。非正常運(yùn)行狀態(tài)指的是由于各種原因，機(jī)器不能執(zhí)行預(yù)定功能，這些原因包括機(jī)器人的一個(gè)或多個(gè)輔助裝置失效、外部干擾等[3]。③非預(yù)期的操作者條件反射行為或?qū)C(jī)器合理預(yù)見(jiàn)的誤用。

（3）風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)。危險(xiǎn)識(shí)別后，需要對(duì)每種危險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)。風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)需要考慮傷害的嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率兩大風(fēng)險(xiǎn)要素。傷害的嚴(yán)重程度需要綜合其損害人體健康嚴(yán)重程度和傷害的范圍進(jìn)行估計(jì)。傷害發(fā)生的概率需要從人員暴露于危險(xiǎn)的頻率、危險(xiǎn)事件的發(fā)生概率、避免或限制傷害的可能性這三個(gè)維度進(jìn)行考量。

3 工業(yè)機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策及控制措施

（1）器人風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策。因機(jī)器人應(yīng)用和功能的不同，危險(xiǎn)的類(lèi)型和嚴(yán)重程度也有所區(qū)別，采取的安全保護(hù)措施也不會(huì)全部相同，在具體“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”中，評(píng)價(jià)的關(guān)鍵在于明確界限，明確那些是機(jī)器人本身產(chǎn)生的危險(xiǎn)，采取合適的安全對(duì)策，達(dá)到消除危險(xiǎn)的目的。首先應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)或替代使得安全控制系統(tǒng)的性能是可靠的，然后再用安全防護(hù)和其他補(bǔ)救措施，盡可能消除或減少風(fēng)險(xiǎn)。任何遺留的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)采用其他措施來(lái)減少，然后重新進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最終確定系統(tǒng)的安全等級(jí)是否滿(mǎn)足要求，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)要關(guān)注過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，無(wú)論結(jié)果是否精確，最終的目標(biāo)是提高機(jī)器人的安全性能。估算安全相關(guān)系統(tǒng)PL時(shí)，采用的參數(shù)為每小時(shí)的危險(xiǎn)失效概率。當(dāng)發(fā)生的錯(cuò)誤阻礙了系統(tǒng)的保護(hù)功能時(shí)卻又未檢測(cè)出時(shí)，則認(rèn)為是危險(xiǎn)失效。一般來(lái)說(shuō)，危險(xiǎn)因素減少的越多，每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率越低。每小時(shí)危險(xiǎn)失效概率僅僅是評(píng)估PL需要的參數(shù)之一，要達(dá)到特定的PL等級(jí)，還必須證明符合了所有的要求標(biāo)準(zhǔn)[4]。

（2）機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)控制措施。在風(fēng)險(xiǎn)控制之前，最重要的是識(shí)別工業(yè)機(jī)器人發(fā)生概率較大的風(fēng)險(xiǎn)，然后針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)采用不同的控制措施。對(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的主要危險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)控制措施的優(yōu)先選用原則從高到低依次是：完全消除危險(xiǎn)源或風(fēng)險(xiǎn)、降低或減少風(fēng)險(xiǎn)、個(gè)人防護(hù)或培訓(xùn)認(rèn)知。比如“機(jī)器人手臂或外部附件的運(yùn)動(dòng)”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)后屬于“極其危險(xiǎn)，不能繼續(xù)作業(yè)”，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施可能是通過(guò)安全圍欄進(jìn)行隔離的“個(gè)人防護(hù)”，而對(duì)于“控制柜的電氣干擾”風(fēng)險(xiǎn)控制措施則是“降低的減少風(fēng)險(xiǎn)”。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)機(jī)器人的普及，其安全性受到越來(lái)越多的關(guān)注。為預(yù)防或減少機(jī)器人造成的傷害，必須在其設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是包括風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在內(nèi)的全過(guò)程。從工業(yè)機(jī)器人的全生命周期出發(fā)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行深入研究。詳細(xì)分析風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過(guò)程及注意事項(xiàng)，并結(jié)合某工業(yè)機(jī)器人的案例，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用進(jìn)行詳解，可為設(shè)計(jì)人員提供參考。